Nghiên cứu vấn đề điều khiển lò nhiệt đi sâu xây dựng chương trình giám sát nhiệt độ lò nhiệt trong phòng thí nghiệm sử dụng card PCI 1710

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ NHIỆT . 2 1.1. TỔNG QUAN VỀ LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ . 2 1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở . 2 1.1.2. Cấu tạo của lò điện trở 2 1.1.3. Ƣu nhƣợc điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu . 3 1.1.5. Hệ thống điều khiển lò nhiệt . 5 1.2.CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ . 6 1.2.1. Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp tiếp xúc . 6 1.2.2. Đo nhiệt độ cao bằng phƣơng pháp tiếp xúc . 7 1.2.3. Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp không tiếp xúc 8 1.3. CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 8 1.3.1. Nhiệt điện trở 8 1.3.2. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu . 14 1.3.3. Cảm biến quang đo nhiệt độ . 16 1.4. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT 20 1.4.1. Mô tả toán học của lò nhiệt trong phòng thí nghiệm 20 1.4.2. Phƣơng pháp điều khiển on – off . 21 1.4.3. Phƣơng pháp điều khiển PID 23 1.5. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN THƢỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐỂ ĐO NHIỆT ĐỘ . 27 1.5.1. Máy đo nhiệt độ siêu nhỏ 27 1.5.2. Thiết bị đo nhiệt độ lò . 27 1.5.3. Thiết bị đo nhiệt độ chuyên nghiệp P400/P410 28 1.5.4. Đồng hồ đo nhiệt độ 28 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD PCI 1710 29 2.1. CARD PCI-1710 VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT . 29 ề card PCI - 1710 . 29 2.1.2. Bus PCI Plug and Play 29 2.1.3. Những kiểu đầu vào và việc thiết lập những phạm vi linh hoạt . 29 2.1.4. Vùng nhớ FIFO trên bảng mạch (First In First Out) 29 2.1.5. Bộ đếm lập trình đƣợc trên bảng mạch . 30 31 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT SỬ DỤNG CARD PCI 1710 . 33 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ 34 3.1.1. Khối nguồn cấp . 34 3.1.2. Khối nguồn dòng . 34 3.1.3. Khối khuếch đại 36 3.1.4. Khối PCI-1710 36 3.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 36 3.2.1. Mạch nguồn dòng 36 3.2.2. Mạch khuếch đại . 37 3.2.3. Mạch điều khiển 38 3.2.4. Mạch động lực . 41 3.2. GIAO TIẾP PHẦN MỀM MATLAB VỚI CARD PCI-1710 . 43 3.3. THUẬT TOÁN 51 3.4. GIAO DIỆN CHƢƠNG TRÌNH GIÁM SÁT . 52 3.4.1. Mô hình lò nhiệt trên simulink 52 3.4.2. Giao diện chƣơng trình . 58 KẾT LUẬN . 60 TÀI KIỆU THAM KHẢO 61 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm…Vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệt đƣợc chú trọng đến vì nó là một yếu tố quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm. Nắm đƣợc tầm quan trọng của vấn đề trên em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu vấn đề điều khiển lò nhiệt. Đi sâu xây dựng chương trình giám sát nhiệt độ lò nhiệt trong phòng thí nghiệm sử dụng card PCI 1710. ” Đồ án của em đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1. Vấn đề điều khiển và giám sát lò nhiệt Chƣơng 2. Giới thiệu về card PCI 1710 Chƣơng 3. Xây dựng chƣơng trình giám sát nhiệt độ lò nhiệt sử dụng card PCI 1710 Mặc dù em đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án của mình nhƣng không thể tránh khỏi những thiếu sót em mong thầy cô cùng các bạn đóng gớp ý kiến để em có thể hoàn thiện đề tài của mình hơn. Sinh viên thực hiện Bùi Vũ Cƣờng 2 CHƢƠNG 1. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 1.1. TỔNG QUAN VỀ LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau nhƣ nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v . Lò điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lƣợng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trƣớc khi cán, rèn dập, kéo sợi + Sản xuất đúc và kim loại bột Trong các lĩnh vực công nghiệp khác : + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện đƣợc dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện đƣợc dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v . Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng đƣợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngƣời một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nƣớc điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v . 1.1.2. Cấu tạo của lò điện trở Lò điện trở thƣờng gồm 3 phần chính là: vỏ lò, lớp lót và dây nung. a. Vỏ lò 3 Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu chịu trọng tải trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thƣờng , sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò. Khung vỏ lò cần làm cứng vững đủ để chịu trọng tải của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. b. Lớp lót Lớp lót lò điện trở thƣờng gồm 2 phần vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thƣớc của buồng lò. Cũng có khi ngƣời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn. Phần cách nhiệt thƣờng nằm giữa vỏ lò và phần chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc các lớp cách nhiệt. c. Dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt do đó phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu cần thiết.Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung ngƣời ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Để đảm bảo yêu cầu của dây nung trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đƣợc chế tạo bằng hợp kim Crôm – Nhôm và Crôm – Niken là hợp kim có điện trở suất lớn. 1.1.3. Ƣu nhƣợc điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu a. Ưu điểm 4 + Có khả năng tạo đƣợc nhiệt độ cao + Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao + Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ + Kín + Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. b. Nhược điểm + Năng lƣợng điện đắt + Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng. 1.1.4. Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lƣợng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ[8]: 2 (1.1)Q I Rt Q - Lƣợng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng (Ω ) t - Thời gian tính bằng giây (s) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò : + Vật nung: Trƣờng hợp này gọi là nung trực tiếp + Dây nung: Khi dây nung đƣợc nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lƣu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trƣờng hợp này gọi là nung gián tiếp.Trƣờng hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn ). 5 Trƣờng hợp thứ hai thƣờng gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 1.1.5. Hệ thống điều khiển lò nhiệt Nhiệt độ là một đại lƣợng vật lý,nó hiện diện khắp nơi cả trong sản xuất lẫn sinh hoạt hàng ngày. Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng vai trò to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chất lƣợng sản phẩm.Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhà máy thì nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua. Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển mà ta sử dụng phƣơng pháp điều khiển thích hợp.Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra vấn đề cần giải quyết. Hệ thống điều khiển nhiệt độ thƣờng đƣợc chia làm hai loại: + Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thƣờng xác định và giám sát kết quả điều khiển,so sánh với tín hiệu đặt và tự động điều chỉnh lại cho đúng. + Hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system): thực hiện từng bƣớc điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trƣớc khi xác định tuần tự. Một hệ thống muốn đạt đƣợc độ chính xác cần thiết cần thiết phải thực hiện hồi tiếp, tín hiệu phản hồi về so sánh với tín hiệu vào và sai lệch sẽ đƣợc đƣa tới bộ điều chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển này có nhiều ƣu điểm đƣợc sử dụng nhiều trên thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động. Dạng tổng quát của hệ thống điều khiển đƣợc mô tả trên nguyên tắc nhƣ hình sau[4]: 6 Hình 1.1. Nguyên tắc điều khiển hồi tiếp 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hƣởng đến đặc tính của vật chất nên trong các quá trình kỹ thuật cũng nhƣ trong đời sống hằng ngày rất hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ. Ngày nay hầu hết các quá trình sản xuất công nghiệp, các nhà máy đều có yêu cầu đo nhiệt độ. Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phƣơng pháp khác nhau, thƣờng phân loại các phƣơng pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thƣờng nhiệt độ đo đƣợc chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao. Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phƣơng pháp thƣờng đo là phƣơng pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi đƣợc đặt trực tiếp ở ngay môi trƣờng cần đo. Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phƣơng pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trƣờng đo. 1.2.1. Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp tiếp xúc Phƣơng pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thƣờng đƣợc sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu . Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550 0 C ÷ 2000 0 C hiện nay ngƣời ta thƣờng ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ. 7 Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng nhƣ cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trƣờng đo: + Đối với môi trƣờng khí và nƣớc: chuyển đổi đƣợc đặt theo hƣớng ngƣợc lại với dòng chảy. + Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lƣợng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy điện tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt. + Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất .): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trƣờng cần đo và thƣờng dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài. 1.2.2. Đo nhiệt độ cao bằng phƣơng pháp tiếp xúc Ở môi trƣờng nhiệt độ cao từ 1600 0 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu đƣợc lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trƣờng đó ngƣời ta dựa trên hiện tƣợng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt. Quá trình quá độ khi đốt nóng cặp nhiệt có phƣơng trình[8]: ( ) .(1 ) (1.2) t f t T e Trong đó: θ: Lƣợng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t. ∆T: Hiệu nhiệt độ của môi trƣờng đo và cặp nhiệt. τ: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu. Dựa trên quan hệ này có thể xác định đƣợc nhiệt độ của đối tƣợng đo mà không cần nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy. Bằng cách nhúng nhiệt ngẫu vào môi trƣờng cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6 s ta sẽ đƣợc phần đầu của đặc tính quá trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính đƣợc nhiệt độ của môi trƣờng. 8 Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trƣờng cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trƣờng thì nhiệt độ tính đƣợc có sai số không quá hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp. Phƣơng pháp này thƣờng dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy. 1.2.3. Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp không tiếp xúc Đây là phƣơng pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lƣợng theo mọi hƣớng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trƣng bằng mật độ phổ E nghĩa là số năng lƣợng bức xạ trong một dơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng. Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng đƣợc biểu diễn bằng công thức [8]: 2 /( ) 0 5 1 1 ( 1) (1.3) CT E C e Trong đó : C 1 , C 2 – hằng số, - độ dài sóng, T – nhiệt độ tuyệt đối. C 1 =37,03.10 -17 Jm 2 /s; C 2 =1,432.10 -2 m.độ. 1.3. CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.3.1. Nhiệt điện trở Nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt điện trở chủ yếu là dựa trên sự thay đổi giá trị điện trở của các loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn khi có sự thay đổi nhiệt độ của chúng. Chính vì vậy mà ngƣời ta sử dụng nhiệt điện trở làm phần tử cảm biến nhiệt độ; tuy nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng mà ngƣời ta có thể dùng nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn[8]. a. Nhiệt điện trở kim loại Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất nhƣ: platin, đồng, niken. Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt. Tuy nhiên